CN103673890B - 基于数字图像分析的长度及柱面面积测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于数字图像分析的长度测量方法，包括：建立摄像***，并设置一摄像背景平面；获得被测数字图像；对所述被测数字图像进行处理，计算出放大倍数M；在所述被测数字图像上勾勒出所述被测平面的周长曲线，并计算出所述周长曲线的测量长度；将所述周长曲线的测量长度除以所述放大倍数M，获得所述被测平面的周长长度；计算出长度修正系数；对所述被测平面的周长长度进行修正，获得所述被测平面的实际周长长度。本发明还提供了一种柱面面积测量方法，利用测量得到的实际周长长度及其柱面宽度，获得被测物体的柱面面积，具有简便、准确度高和适用范围广的优点，并精准测量出曲面的面积。

Description

基于数字图像分析的长度及柱面面积测量方法

技术领域

本发明涉及电子测量技术领域，尤其涉及一种基于数字图像分析的长度及柱面测量方法。

背景技术

在许多场合下都需要测量不规则形貌物体的长度或表面积，例如监测和勘定活动中的地图面积计算、植物学研究中的植物叶片面积的计算、医学整形中病变面积的计算、仿真饰品镍释放量检测中接触面积的计算、食品接触材料有害物质迁移量检测中接触面积的计算等。

目前，测量长度或平面面积的方法有许多种，大体可以分为手工测定法和电子技术测量法。手工测定法设备简单、操作容易，但是费时费力，测量准确度低；电子技术测量法自动化程度高、准确性和重复性好，应用范围越来越广泛。利用数码相机成像和相关软件测量平面面积是电子技术测量法的一种，该方法具有简便、准确、连续、非破坏性、成本低廉等优点，其基本原理是利用像素值与面积成正比的原理，通过用数码相机拍下处于参考背景环境中的目标物，并利用计算机对数字图像处理，以获得计算所用的参数。

但是，现有技术中的技术方案只适用于测量平面的面积，无法测量曲面的周长和面积。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是：提出一种基于数字图像分析的长度测量方法，并利用测量所得的曲线长度；并根据所述长度测量方法提出一种曲面面积测量方法，计算获得底面为任意平面形状的柱体被测物体的柱面面积，提高曲面面积的测量准确度以及扩大曲面面积的适用范围。

本发明提供一种基于数字图像分析的长度测量方法，包括以下步骤：

S1：建立摄像***，并设置一摄像背景平面；

S2：将被测物体放置在所述摄像背景平面上，并使所述被测物体的被测平面与所述摄像背景平面平行；

S3：利用所述摄像***对所述被测平面及其四周的摄像背景平面进行成像，获得被测数字图像；

S4：对所述被测数字图像进行处理，在所述被测数字图像上勾勒一已知实际长度的参考曲线，计算出所述参考曲线的参考测量长度，并将所述参考曲线的参考测量长度除以所述参考曲线的实际长度作为放大倍数M；

S5：在所述被测数字图像上沿着所述被测平面的边界勾勒出所述被测平面的周长曲线，并计算出所述周长曲线的测量长度；

S6：将所述周长曲线的测量长度除以所述放大倍数M，获得所述被测平面的周长长度；

S7：计算出长度修正系数；

S8：根据所述长度修正系数对所述被测平面的周长长度进行修正，将所述周长长度除以所述长度修正系数，获得所述被测平面的实际周长长度。

在一种可实现方式中，所述步骤S7具体为：

S101：测量出所述摄像背景平面与所述摄像***的摄像镜头的距离L_参；

S102：测量出所述被测平面与所述摄像背景平面的距离x₀；

S103：根据以下公式计算出所述长度修正系数：

其中，p₁为长度修正系数，参数L_目为所述被测物体的被测平面与所述摄像***的摄像镜头的距离，且其大小值为参数L_参与参数x₀之差。

在另一种可实现方式中，所述步骤S7具体为：

S201：建立距离x与所述长度修正系数的关联关系；所述距离x为任一被测平面与所述所述摄像背景平面的距离，且所述被测平面与所述摄像背景平面平行；

S202：测量出当前所述被测物体的被测平面与所述摄像背景平面的距离x₁；

S203：根据所述距离x与所述长度修正系数的关联关系，以及所述距离x₁，计算出所述长度修正系数p₂。

进一步地，所述步骤S201包括：

S301：利用所述摄像***对一已知实际周长的基准平面进行摄像；

S302：通过多次调整所述基准平面与所述摄像背景平面的距离x，利用所述摄像***分别对所述基准平面进行成像，对应摄取多幅基准数字图像；

S303：对每一幅所述基准数字图像执行所述步骤S4～S6，获得所述基准平面的多个基准测量周长；

S304：将每一个所述基准测量周长与所述基准平面的实际周长进行商运算，计算获得多个周长修正系数的测量值p（x）；

S305：对所述距离x与所述测量值p（x）进行二次曲线拟合，获得所述距离x与所述测量值p（x）的二次函数关系式。

更进一步地，所述步骤S203具体为：

根据所述距离x与所述测量值p（x）的二次函数关系式，将所述距离x₁代入所述二次函数关系式，计算出所述周长修正系数p₂。

本发明技术方案还提供了一种柱面面积测量方法，用于测量柱体形状的被测物体的柱面面积，所述方法包括：

S401：采用以上所述任一项所述基于数字图像分析的长度测量方法测量被测物体的任一底面的实际周长长度；

S402：测量所述被测物体的柱面宽度；

S403：计算出所述被测物体的柱面面积：将所述实际周长长度乘以所述柱面宽度作为所述被测物体的柱面面积。

实施本发明的技术方案，具有如下有益效果：

利用摄像***获得被测平面的数字图像，对摄像***没有严格要求，容易实现和操作；利用计算机软件工具对摄取的数字图像进行图像分析处理，获得被测平面的一已知实际长度的参考曲线的参考长度，计算出数字图像的放大倍数M；利用计算机软件工具勾勒出任意形状的被测平面的沿边边界的周长曲线，获得被测平面的测量长度，并利用放大倍数M对其进行首次修正；进一步地，计算出本方法的长度修正系数，对被测平面的周长长度进行二次修正，提高了曲线长度测量的精度与准确度。本发明的技术方案还利用计算得到的被测平面的周长长度，计算出以所述被测平面为底面的柱体被测物体的柱面面积（侧面积），提出了一种测量曲面面积的方法，具有简便、非破坏性、自动化程度与准确度高、适用范围广的优点。

附图说明

图1是本发明提供的基于数字图像分析的长度测量方法的第一实施例的方法流程图；

图2是本发明第一实施例提供的摄像***的结构示意图；

图3是本发明第一实施例提供的被测数字图像的示意图；

图4是本发明第一实施例提供的在被测数字图像选定参考曲线与被测平面周长曲线示意图；

图5是本发明第一实施例提供的测量长度修正系数的一种可实现方式的方法流程图；

图6是本发明第二实施例提供的测量长度修正系数的又一种可实现方式的方法流程图；

图7是本发明第二实施例提供的建立距离x与长度修正系数关联关系的方法流程图；

图8是本发明第三实施例提供的一种柱面面积测量方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1，是本发明提供的基于数字图像分析的长度测量方法的第一实施例的方法流程图。

在本实施例中，所述的基于数字图像分析的长度测量方法包括以下步骤：

步骤S1：建立摄像***，并设置一摄像背景平面。

参看图2，是本发明第一实施例提供的摄像***的结构示意图。具体地，摄像***包括摄像机10和摄像背景平面20，被测物体放置在摄像背景平面20上。进一步地，摄像***可包括用于承载摄像机10的支架30，具体实施时，可在支架30上设置一孔洞，并将摄像机10固定在所述孔洞上。需要说明的是，本发明实施例提供的支架30可为任意可将摄像机10进行固定的形状结构，因此并未对支架30的形状结构进行限制。

具体实施时，摄像背景平面20可采用印有排列整齐的方格的白色纸张进行实现，且白色纸张上印有M行N列的1cm*1cm（厘米）的方格，M和N均大于零，以便于后期对摄像机10所拍摄的数字图像进行处理，获取参考图像。需要说明的是，本发明实施例并未对方格的大小进行限制。

在本实施例中，为了获得更好的拍摄效果，清晰地获得被测物体的图像，所述拍摄***可进一步包括照明***等装置。

步骤S2：将被测物体放置在所述摄像背景平面20上，并使所述被测物体的被测平面与所述摄像背景平面20平行。具体地，被测物体为三维立体形状，具有多个外表面，因此需要控制被测平面的水平面与所述摄像背景平面20的水平面平行。

步骤S3：利用所述摄像***对所述被测平面及其四周的摄像背景平面20进行成像，获得被测数字图像。

参看图3，是本发明第一实施例提供的被测数字图像的示意图。

具体实施时，利用摄像***中的摄像机10对被测平面进行拍摄时，如图3所示，被测数字图像的拍摄范围应至少完全覆盖所述被测平面。

在实际的拍摄过程中，摄像背景平面与被测物体的被测平面处于不同的水平面上，摄像机10将会以被测平面为目标调整焦距和像距，使被测平面形成清晰图像。由于聚焦面在感光元件之前，因此被测数字图像变得模糊且放大，因此，被测数字图像的边界也将会被放大。

根据摄像机成像原理，被测平面的图像尺寸放大倍率与摄像背景平面的尺寸放大倍率的比值等于摄像背景平面的物距与被测平面的物距的比值，与其它因素无关。在摄像背景平面和被测平面的物距固定时，被测平面的目标图像的尺寸放大倍率与摄像背景平面的参考图像的尺寸放大倍率的比值为定值，即摄像背景平面的物距除以被测平面的物距。

在本实施例中，由于被测平面所在的水平面与摄像背景平面所在的水平面平行，即两者与摄像机镜头的夹角相同，摄像背景平面的物距和被测平面的物距分别为摄像背景平面和被测平面在摄像机镜头主轴上的投影点到镜头中心的距离，因此，被测平面的目标图像的尺寸放大倍率与摄像背景平面的参考图像的尺寸放大倍率的比值与被测平面在镜头主轴上的投影与镜心的距离成反比、与摄像背景平面在镜头主轴上的投影与镜心的距离成正比，与其它因素无关。因此，为得到被测平面的实际周长长度，需要对测量得到的长度进行修正。

步骤S4：对所述被测数字图像进行处理，在所述被测数字图像上勾勒一已知实际长度的参考曲线，计算出所述参考曲线的参考测量长度，并将所述参考曲线的参考测量长度除以所述参考曲线的实际长度作为放大倍数M。

参看图4，是本发明第一实施例提供的参考曲线与被测平面周长曲线示意图。

在本实施例中，在被测数字图像上选取一已知实际长度L₀的参考曲线l₁，并利用计算机或其它仪器中的相关软件工具计算出参考曲线l₁的参考长度L₁。具体实施时，如图4所示，由于摄像背景平面上印有已知长度大小的方格，因此，可在被测数字图像上沿着方格的边长勾勒出所述参考曲线l₁，则在完成参考曲线l₁的选取时即可获知其实际长度L₀。

步骤S5：在所述被测数字图像上沿着所述被测平面的边界勾勒出所述被测平面的周长曲线l₂，并计算出所述周长曲线的测量长度。

在本实施例中，优选采用CorelDRAW软件对参考曲线l₁的参考长度L₁、所述周长曲线l₂的测量长度L₂。具体实施时，利用CorelDRAW软件的“手绘工具”勾勒所述参考曲线l₁和所述被测平面的周长曲线l₂，利用“椭圆形工具”沿着所述参考曲线l₁和所述周长曲线l₂划圆圈，并分别设置圆圈的轴长，并利用“调和工具”对曲线的多个圆圈进行调和，以调整圆圈步长，则可利用圆圈的轴长、步长以及步长重叠部分计算出参考曲线l₁和周长曲线l₂的长度。

步骤S6：将所述周长曲线的测量长度L₂除以所述放大倍数M，获得所述被测平面的周长长度L_周。

譬如，采用CorelDRAW软件进行参考曲线l₁的测量时，通过对CorelDRAW软件的设置，并沿着参考曲线l₁进行曲线勾画时可获得信息圆圈的轴长d₁、步长z₁和步长重叠长度b₁，则可计算出参考曲线l₁的参考长度L₁=（z₁+2-b₁）*d₁；同理，通过对CorelDRAW软件的设置，并沿着周长曲线l₂进行曲线勾画时可获得信息圆圈的轴长d2、步长z2和步长重叠长度b2，则可计算出周长曲线l₂的测量长度L₂=（z₂+2-b₂）*d₂。因此，采用所述摄像***进行数字图像拍摄的放大倍数M=L₁/L₀=（z₁+2-b₁）*d₁/L₀；根据所述放大倍数M对被测平面的测量周长进行初次修正，则可获得被测平面的周长长度L_周=L₂/M=[（z₂+2-b₂）*d₂]*L₀/[（z₁+2-b₁）*d₁]。

需要说明的是，本发明采用对被测数字图像进行处理的软件工具包括但不限于CorelDRAW软件。

步骤S7：计算出长度修正系数。

步骤S8：根据所述长度修正系数对所述被测平面的周长长度L_周进行修正，将所述周长长度除以所述长度修正系数，获得所述被测平面的实际周长长度L_实。

参看图5，是本发明第一实施例提供的计算长度修正系数的一种可实现方式的方法流程图。

在理想测量环境下，所述步骤S7具体为：

步骤S101：测量出所述摄像背景平面与所述摄像***的摄像镜头的距离L参；

步骤S102：测量出所述被测平面与所述摄像背景平面的距离x₀；

步骤S103：根据以下公式计算出所述长度修正系数：

其中，p₁为长度修正系数，参数L_目为所述被测物体的被测平面与所述摄像***的摄像镜头的距离，且其大小值为参数L_参与参数x₀之差。

本发明实施例提供的基于数字图像分析的长度测量方法，对摄像***的要求简单，实现容易，操作轻便；并对被测平面的数字图像进行分析处理，选定一已知实际面积的参考曲线计算出该摄像***所拍摄图像的放大倍数，并计算出长度修正系数对被测平面的测量长度进行修正，以获得准确的实际周长长度，其具有简便、准确度高和适用范围广等优点。

参看图6，是本发明第二实施例提供的计算长度修正系数的又一种可实现方式的方法流程图。

在本发明第二实施例中，所述的基于数字图像分析的长度测量方法与第一实施例的基本原理相同，其与第一实施例的区别点在于：本实施例在计算长度修正系数时，提出了另一种可实现方式。

具体地，本实施例采用的计算长度修正系数的实现步骤包括：

步骤S201：建立距离x与所述长度修正系数的关联关系；所述距离x为任一被测平面与所述所述摄像背景平面的距离，且所述被测平面与所述摄像背景平面平行；

步骤S202：测量出当前所述被测物体的被测平面与所述摄像背景平面的距离x₁；

步骤S203：根据所述距离x与所述长度修正系数的关联关系，以及所述距离x₁，计算出所述长度修正系数p₂。

参看图7，是本发明第二实施例提供的建立距离x与长度修正系数关联关系的方法流程图。

优选地，所述步骤S201可采用数学统计的方法进行实现，包括：

步骤S301：利用所述摄像***对一已知实际周长的基准平面进行摄像；

步骤S302：通过多次调整所述基准平面与所述摄像背景平面的距离x，利用所述摄像***分别对所述基准平面进行成像，对应摄取多幅基准数字图像；

步骤S303：对每一幅所述基准数字图像执行所述步骤S4～S6，获得所述基准平面的多个基准测量周长；

步骤S304：将每一个所述基准测量周长与所述基准平面的实际周长进行商运算，计算获得多个周长修正系数的测量值p（x）；

步骤S305：对所述距离x与所述测量值p（x）进行二次曲线拟合，获得所述距离x与所述测量值p（x）的二次函数关系式。

具体实施时，可采用图2所示的摄像***，对一已知沿边周长的物体表面作为基准平面进行长度测量，得出周长长度随距离x的变化情况。

譬如，采用一实际周长为L₀=30cm的方块上表面作为基准平面进行测量，将此时长度修正系数设为1；将方块上表面距摄像背景平面的距离记为x，以一定间隔多次调整x的大小，并分别拍摄其图像，利用CorelDRAW X4软件对图像进行处理，测量出被测平面的周长长度以及相应变化的长度修正系数p（x），数据统计如表1所示。

表1长度修正系数p（x）与距离x的关系

其中，参数x为基准平面与摄像背景平面的距离，单位为cm；L_参是摄像***中的摄像机镜头与摄像背景平面的距离；参数L₀为基准平面的实际周长长度，单位为cm；L（x）为通过软件计算得到的基准平面的测量测量周长长度，单位为cm；p（x）为长度修正系数，且p（x）=L（x）/L₀。

以参数x和参数p（x）进行二次拟合，得p（x）和x的关系式为：p（x）=0.0072x²+0.0366x+1.013，拟合精度R²=0.9978。由此关系公式可计算出在用该摄像***按上述方式拍摄被测物体图像时的任意距离x值对应的长度修正系数p（x）值。

进一步地，通过步骤S304计算出距离x与所述测量值p（x）的二次函数关系式后，所述步骤S203具体为：

根据所述距离x与所述测量值p（x）的二次函数关系式，将所述距离x₁代入所述二次函数关系式，计算出所述周长修正系数p₂。

需要说明的是，本发明提供的长度测量方法包括但不限于用于测量被测平面的周长长度；具体实施时，该方法也可用于测量被测平面内的任意曲线的长度。

本实施例采用数学统计的方法计算出长度修正系数的意义在于：不同的摄像***具有不同的性能参数，相机镜头的复杂性导致L（x）等参数的准确值不可得，以及拍摄得到的数字图像的变形和扭曲等原因，导致长度修正系数的理论值与实际值之间存在一定偏差，影响了结果的准确性。通过该方法对长度修正系数的拟合计算，避免了第一实施例中采用理想环境下的固定值的误差，而是根据距离x的不同适应调整长度修正系数的值，极大限度地减少了***偏差，进一步提高了长度测量的准确性。

本发明的技术方案还提供了一种柱面面积测量方法，利用第一实施例和第二实施例所测量得到的平面沿边周长长度，测量出柱体形状的被测物体的柱面面积。

参看图8，是本发明第三实施例提供的一种柱面面积测量方法的流程示意图。

第三实施例提供了一种柱面面积测量方法，用于测量柱体形状的被测物体的柱面面积，所述方法包括：

步骤S401：采用以上实施例所提供的任一项所述方法测量被测物体的任一底面的实际周长长度；具体地，在测量被测的柱体形状的被测物体的底面沿边周长时，其测量原理与第一实施例或第二实施例相同，在此不再赘述。

步骤S402：测量所述被测物体的柱面宽度。

步骤S403：计算出所述被测物体的柱面面积：将所述实际周长长度乘以所述柱面宽度作为所述被测物体的柱面面积。

在本实施例中，被测物体的上下两个底面应为平行的水平面，且两个底面的形状对应相同，但本发明提供的柱面面积测量方法并未对被测物体的底面的沿边形状作任何限制，因此，被测物体的底面可具有任意曲线形状边界，即被测物体的柱面可为不规则的侧面投影为矩形的曲面，因此本发明第三实施例提供的方法实现对具有一定规律的曲面进行精准的面积测量。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于数字图像分析的长度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：建立摄像***，并设置一摄像背景平面；

S2：将被测物体放置在所述摄像背景平面上，并使所述被测物体的被测平面与所述摄像背景平面平行；

S3：利用所述摄像***对所述被测平面及其四周的摄像背景平面进行成像，获得被测数字图像；

S4：对所述被测数字图像进行处理，在所述被测数字图像上勾勒一已知实际长度的参考曲线，计算出所述参考曲线的参考测量长度，并将所述参考曲线的参考测量长度除以所述参考曲线的实际长度作为放大倍数M；

S5：在所述被测数字图像上沿着所述被测平面的边界勾勒出所述被测平面的周长曲线，并计算出所述周长曲线的测量长度；

S6：将所述周长曲线的测量长度除以所述放大倍数M，获得所述被测平面的周长长度；

S7：计算出长度修正系数；

S201：建立距离x与所述长度修正系数的关联关系；所述距离x为任一被测平面与所述摄像背景平面的距离，且所述被测平面与所述摄像背景平面平行；所述步骤S201包括：S301：利用所述摄像***对一已知实际周长的基准平面进行摄像；S302：通过多次调整所述基准平面与所述摄像背景平面的距离x，利用所述摄像***分别对所述基准平面进行成像，对应摄取多幅基准数字图像；S303：对每一幅所述基准数字图像执行所述步骤S4～S6，获得所述基准平面的多个基准测量周长；S304：将每一个所述基准测量周长与所述基准平面的实际周长进行商运算，计算获得多个周长修正系数的测量值p(x)；S305：对所述距离x与所述测量值p(x)进行二次曲线拟合，获得所述距离x与所述测量值p(x) 的二次函数关系式；

S202：测量出当前所述被测物体的被测平面与所述摄像背景平面的距离x₁；

S203：根据所述距离x与所述长度修正系数的关联关系，以及所述距离x₁，计算出所述长度修正系数p₂；所述步骤S203具体为：根据所述距离x与所述测量值p(x)的二次函数关系式，将所述距离x₁代入所述二次函数关系式，计算出所述周长修正系数p₂；

S8：根据所述长度修正系数对所述被测平面的周长长度进行修正，将所述周长长度除以所述长度修正系数，获得所述被测平面的实际周长长度。

2.如权利要求1所述的基于数字图像分析的长度测量方法，其特征在于，所述步骤S7具体为：

S101：测量出所述摄像背景平面与所述摄像***的摄像镜头的距离L_参 ；

S102：测量出所述被测平面与所述摄像背景平面的距离x₀；

S103：根据以下公式计算出所述长度修正系数：

其中，p₁ 为长度修正系数，参数L_目 为所述被测物体的被测平面与所述摄像***的摄像镜头的距离，且其大小值为参数L_参 与参数x₀之差。

3.一种柱面面积测量方法，其特征在于，用于测量柱体形状的被测物体的柱面面积，所述方法包括：

S401：采用如权利要求1～2任一项所述方法测量被测物体的任一底面的实际周长长度；

S402：测量所述被测物体的柱面宽度；

S403：计算出所述被测物体的柱面面积：将所述实际周长长度乘以所述柱面宽度作为所述被测物体的柱面面积。